Al-Si合金共晶硅的变质处理优化

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-43 未变质的共晶Al-Si合金的板片状共晶硅目前生产上使用最多的是钠盐或锶变质处理，锶通常以Al-10%Sr中间合金的形式加入。上述问题对于大量连续生产、自动化和机械化程度较高的工厂生产均带来不便，为此，国内外都在探求Al-Si合金的新变质剂和变质工艺。合金的力学性能可达到加钠变质水平。Sr也是长效变质剂，Sr变质的Al-9%Si合金保温6～12h或重熔，仍保持良好的变质状态。

1.共晶硅的变质方法

对Al-Si合金共晶体的变质也就是共晶硅的变质。未变质共晶Al-Si合金的共晶硅为粗大针状（见图1-42），深腐蚀后在扫描电镜下观察为板片状组织，如图1-43所示。

图1-42 未变质的共晶Al-Si合金组织

图1-43 未变质的共晶Al-Si合金的板片状共晶硅（水淬组织）

目前生产上使用最多的是钠盐或锶变质处理，锶通常以Al-10%Sr（质量分数）中间合金的形式加入。加入很少量的Na或Sr即有变质效果。经过变质处理后，共晶成分合金变为由初生α和（α+β_Si）共晶体组成的亚共晶组织，共晶硅细化为球粒状，如图1-44所示，在扫描电镜下观察为珊瑚状或纤维状结构，如图1-45所示。由于组织的变化，合金的室温力学性能，特别是伸长率得到很大的提高，加工性也明显改善。

图1-44 0.05%Sr（质量分数）变质处理的Al-Si合金的粒状共晶硅

图1-45 0.07%Sr（质量分数）变质的共晶Al-Si合金的珊瑚状共晶硅（水淬组织）

目前生产上使用较为广泛的铝硅合金变质剂是四元钠盐。这种变质剂虽能有效细化共晶硅，但在工艺和合金质量上仍存在许多问题，主要表现在：第一，衰退严重，钠变质有效时间只有30～60min，超过此时间，变质效果会自行消失，温度越高，失效越快，重熔时，须重新变质；第二，钠易与铸型中的水蒸气发生反应，产生皮下气孔，并且加钠使合金粘度增高，阻滞气泡和夹杂的排出，容易形成针孔等缺陷。另外，钠盐变质时对坩埚壁和工具腐蚀严重。

上述问题对于大量连续生产、自动化和机械化程度较高的工厂生产均带来不便，为此，国内外都在探求Al-Si合金的新变质剂和变质工艺。据报道，下列元素对共晶体（α+Si）均可起到不同程度的变质作用：Sr，Sb，RE，Bi，Ba，Ca，Te。

在上述元素中，以Sr的变质效果最好，加入（0.04%～0.08%）Sr（质量分数）不仅细化共晶硅，而且细化共晶团。合金的力学性能可达到加钠变质水平。Sr也是长效变质剂，Sr变质的Al-9%Si（质量分数）合金保温6～12h或重熔，仍保持良好的变质状态。与钠盐变质比较，可简化操作，对坩埚无浸蚀作用。Sr变质的主要缺点是容易吸气及增加铸件针孔度。

Sb在铝液中几乎不烧损，也是一种长效变质剂，Al-Si合金加（0.2%～0.4%）Sb（质量分数），可使共晶硅细化，但硅晶形态仍为片状而不是球粒状，与钠变质机制有所不同。Sb的细化作用对冷速十分敏感，在冷速较慢的砂型和厚壁铸件条件下变质，效果不甚理想。另外，Sb、Na在合金中容易生成NaSb化合物，有抵消各自变质的作用，同时Sb在铝液中易造成比重偏析，需要在生产中加以注意。

大量的研究结果表明，稀土（RE）在铝硅合金中也有良好的变质作用。在（0.5%～1.0%）RE（质量分数）用量范围内RE的变质效果可与Na相当。RE还能与Al、Si等元素作用后形成一些耐热的金属间化合物相，改善铸件高温性能。但RE加入量过少或过多，有变质不足或过度变质问题。

按上述变质元素对硅晶形态影响的不同，我们可以把变质剂分为两类：

1）钠类变质剂，如Na、Sr等，其特点是能改变硅的生长方向，使初生硅逐渐向团块和球状改变，而共晶硅则生成纤维状或珊瑚状。

2）碲、锑类，不根本改变硅的孪晶凹坑生长方式，初生硅仍呈板片状，只是增加了分枝，而共晶硅则为分枝较密的板片状。

2.钠盐变质工艺

生产上曾经应用较广泛的钠盐变质剂主要由Na和K的卤素盐类组成，几种钠盐变质剂和处理温度见表1-19。

表1-19 几种钠盐变质剂和处理温度

在变质组元中，NaF起变质作用，为主要成分。NaF的作用原理如下：

3NaF+Al→AlF₃+3Na （1-42）反应生成的钠起变质作用。由于NaF熔点较高（992℃），高于普通铝合金的熔化操作温度（<850℃），为了降低变质温度，减少由于提高铝液温度所带来的吸气和氧化，在变质剂中加入NaCl、KCl等盐类。NaCl和KCl本身变质作用较小，但和NaF组成混合盐后可降低熔点，有利于变质反应进行。这种混合盐的变质剂也容易在液面形成一层连续的覆盖层，因此，NaCl和KCl也可称为助熔剂或覆盖剂。

有的变质剂中还加入一定量的冰晶石（Na₃AlF₆），对铝液有除气、去夹杂和变质等多重作用，一般称为“通用变质剂”，在浇注重要的和要求冶金质量较高的铸件时经常采用。变质前，一般先将配好的钠盐在300～400℃预热30min，在760±10℃下将钠盐撒在合金熔体表面覆盖10～12min。

图1-46是加入2%（质量分数）的四元钠盐（30%NaF+50%NaCl+10%KCl+10%Na₃AlF₆，质量分数）变质的ZL101合金的金相组织。共晶硅呈细小均匀的点状，组织均匀。图1-47是在上述钠盐变质后保温55min时的组织，此时已发生了变质衰退，共晶硅呈大片状，接近未变质时的合金组织。